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HISTÓRIA DA TECNOLOGIA, TECNOLOGIA, OBJETOS AO REDOR DE NÓS
Microscópio de sonda de varredura. História da invenção e produção
Diretório / A história da tecnologia, tecnologia, objetos ao nosso redor A direção mais jovem e ao mesmo tempo promissora no estudo das propriedades da superfície é a microscopia de varredura por sonda. Os microscópios de sonda têm uma resolução recorde - menos de 0,1 nm. Eles podem medir a interação entre uma superfície e uma ponta microscópica que a escaneia - uma sonda - e exibir uma imagem tridimensional na tela do computador.
Os métodos de microscopia de sonda permitem não apenas ver átomos e moléculas, mas também influenciá-los. Neste caso, o que é especialmente importante, os objetos podem ser estudados não necessariamente no vácuo (o que é usual para microscópios eletrônicos), mas também em vários gases e líquidos. O microscópio de tunelamento de varredura por sonda foi inventado em 1981 por G. Binning e H. Rohrer (EUA), funcionários do IBM Research Center. Cinco anos depois, eles receberam o Prêmio Nobel por esta invenção. Binning e Rohrer tentaram projetar um dispositivo para estudar áreas de superfície menores que 10 nm. O resultado superou as expectativas mais loucas: os cientistas foram capazes de ver átomos individuais, cujo tamanho é de apenas um nanômetro de diâmetro. A operação de um microscópio de tunelamento de varredura é baseada em um fenômeno da mecânica quântica chamado efeito de tunelamento. Uma ponta de metal muito fina - uma sonda carregada negativamente - é aproximada da amostra, também metálica, carregada positivamente. Nesse momento, quando a distância entre eles atingir várias distâncias interatômicas, os elétrons começarão a passar livremente por ele - "túnel": uma corrente fluirá pelo intervalo. De grande importância para o funcionamento do microscópio é a dependência acentuada da corrente de tunelamento na distância entre a ponta e a superfície da amostra. Se o intervalo for reduzido em apenas 0,1 nm, a corrente aumentará cerca de 10 vezes. Portanto, mesmo irregularidades do tamanho de um átomo causam flutuações perceptíveis na magnitude da corrente.
Para obter uma imagem, a sonda escaneia a superfície e o sistema eletrônico lê a corrente. Dependendo de como esse valor muda, a ponta cai ou sobe. Assim, o sistema mantém o valor da corrente constante, e a trajetória do movimento da ponta segue o relevo da superfície, curvando-se em morros e depressões. A ponta movimenta um piezoscanner, que é um manipulador feito de um material que pode mudar sob a influência de uma tensão elétrica. Um scanner piezo é mais frequentemente na forma de um tubo com vários eletrodos que se alongam ou dobram, movendo a sonda em diferentes direções com uma precisão de milésimos de nanômetro. As informações sobre o movimento da ponta são convertidas em uma imagem da superfície, que é construída ponto a ponto na tela. Para maior clareza, seções de diferentes alturas são pintadas em cores diferentes. Idealmente, deve haver um átomo imóvel no final da ponta da sonda. Se houver várias saliências na ponta da agulha, a imagem pode dobrar ou triplicar. Para eliminar o defeito, a agulha é gravada em ácido, dando-lhe a forma desejada. Com a ajuda de um microscópio de tunelamento, várias descobertas foram feitas. Por exemplo, eles descobriram que os átomos na superfície de um cristal estão dispostos de forma diferente do que no interior e muitas vezes formam estruturas complexas. Com a ajuda de um microscópio de tunelamento, apenas objetos condutores podem ser estudados. No entanto, também permite observar dielétricos finos na forma de um filme quando são colocados na superfície de um material condutor. E embora esse efeito ainda não tenha sido totalmente explicado, é usado com sucesso para estudar muitos filmes orgânicos e objetos biológicos - proteínas, vírus. As possibilidades do microscópio são grandes. Com a ajuda de uma agulha de microscópio, os desenhos são aplicados até mesmo em placas de metal. Para fazer isso, átomos separados são usados como material de "escrita" - eles são depositados na superfície ou removidos dela. Assim, em 1991, os funcionários da IBM escreveram átomos de xenônio na superfície de uma placa de níquel com o nome de sua empresa - IBM. A letra "I" era composta por apenas 9 átomos e as letras "B" e "M" - 13 átomos cada. O próximo passo no desenvolvimento da microscopia de varredura por sonda foi dado em 1986 por Binning, Kveit e Gerber. Eles criaram o microscópio de força atômica. Se em um microscópio de tunelamento o papel decisivo é desempenhado pela dependência acentuada da corrente de tunelamento na distância entre a sonda e a amostra, então para o microscópio de força atômica a dependência da força de interação dos corpos na distância entre eles é de importância decisiva. A sonda de um microscópio de força atômica é uma placa elástica em miniatura - um cantilever. Além disso, uma de suas extremidades é fixa, enquanto na outra extremidade uma ponta de sonda é formada de um material sólido - silício ou nitreto de silício. Quando a sonda é movida, as forças de interação entre seus átomos e a superfície irregular da amostra curvarão a placa. Ao conseguir tal movimento da sonda, quando a deflexão permanece constante, é possível obter uma imagem do perfil da superfície. Esse modo de operação do microscópio, chamado de modo de contato, permite medir, com resolução de frações de nanômetros, não apenas o relevo, mas também a força de atrito, elasticidade e viscosidade do objeto em estudo. A varredura em contato com a amostra muitas vezes leva à sua deformação e destruição. O impacto da sonda na superfície pode ser útil, por exemplo, na fabricação de microcircuitos. No entanto, a sonda pode facilmente quebrar o filme fino de polímero ou danificar a bactéria, fazendo com que ela morra. Para evitar isso, o cantilever é colocado em oscilação ressonante perto da superfície e a mudança na amplitude, frequência ou fase das oscilações causadas pela interação com a superfície é registrada. Este método permite estudar micróbios vivos: uma agulha oscilante atua sobre uma bactéria como uma leve massagem, sem causar danos, e permite observar seu movimento, crescimento e divisão. Em 1987, I. Martin e K. Vikrama-singh (EUA) sugeriram o uso de uma microagulha magnetizada como ponta de sondagem. O resultado foi um microscópio de força magnética. Tal microscópio torna possível ver regiões magnéticas individuais no material - domínios - de até 10 nm de tamanho. Também é usado para registro ultradenso de informações, formando domínios na superfície do filme usando os campos de uma agulha e um ímã permanente. Tal gravação é centenas de vezes mais densa do que em discos magnéticos e ópticos modernos. No mercado mundial de micromecânica, que é dirigido por gigantes como IBM, Hitachi, Gillette, Polaroid, Olympus, Joyle, Instrumentos Digitais, também havia lugar para a Rússia. A voz da pequena empresa MDT de Zelenograd perto de Moscou é ouvida cada vez mais alto. "Vamos copiar em uma placa, 10 vezes menor que um cabelo humano, um desenho de pedra feito por nossos ancestrais distantes", sugere Denis Shabratov, tecnólogo-chefe. Ao longo da "tela", e onde ela toca, uma mancha do tamanho de uma átomo aparece. Gradualmente, um cervo aparece na tela, seguido por cavaleiros." A MDT é a única fabricante de microscópios e sondas do país. Ela é uma das quatro líderes mundiais. Os produtos da empresa são comprados nos EUA, Japão, Europa. E tudo começou com o fato de Denis Shabratov e Arkady Gologanov, jovens engenheiros de um dos institutos de Zelenograd em crise, pensando em como viver, escolheram a micromecânica. Eles, não sem razão, consideraram a direção mais promissora. “Não tínhamos complexos que teríamos que competir com concorrentes fortes”, lembra Gologanov. “Claro que nossos equipamentos são inferiores aos importados, mas, por outro lado, nos obriga a inventar, usar nosso cérebro. E eles definitivamente não são piores conosco. arar mais do que o suficiente. Trabalhávamos dia e noite, sete dias por semana. O mais difícil não foi nem fazer uma sonda superminiatura, mas vendê-la. Sabemos que a nossa é a melhor do mundo, gritamos na Internet, bombardeamos os clientes com faxes, em uma palavra, batemos nas pernas como aquele sapo, - atenção zero." Ao saberem que um dos líderes na produção de microscópios, a empresa japonesa Joyle, procurava agulhas de formato muito complexo, perceberam que essa era a sua chance. O pedido custou muita força e nervos, mas recebeu uma ninharia. Mas o dinheiro não era o principal - agora eles podiam declarar a plenos pulmões: o famoso "Joyle" é nosso cliente. Da mesma forma, por quase um ano e meio, o MDT produziu sondas especiais para o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA gratuitamente. E um novo grande nome apareceu na lista de clientes. "Agora o fluxo de pedidos é tal que não podemos mais satisfazer a todos", diz Shabratov. interrupções no fornecimento, sua baixa qualidade, não obrigatoriedade de subcontratados". O surgimento da microscopia de varredura por sonda coincidiu com sucesso com o início do rápido desenvolvimento da tecnologia computacional, abrindo novas possibilidades para o uso de microscópios de sonda. Em 1998, o modelo de microscópio de varredura FemtoScan-001 foi criado no Centro de Tecnologias Avançadas (Moscou), que também é controlado pela Internet. Agora, em qualquer lugar do mundo, um pesquisador poderá trabalhar em um microscópio, e quem quiser pode "olhar" o microcosmo sem sair do computador. Hoje, esses microscópios são usados apenas em pesquisas científicas. Com a ajuda deles, são feitas as descobertas mais sensacionais em genética e medicina, são criados materiais com propriedades surpreendentes. No entanto, espera-se um avanço em um futuro próximo, principalmente na medicina e na microeletrônica. Microrobôs aparecerão, entregando medicamentos através de vasos diretamente para órgãos doentes, supercomputadores em miniatura serão criados. Autor: Musskiy S.A.
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